Resumen de Análisis del comportamiento de fragmentos de carbono/epoxi en régimen de impacto
Actualmente, la industria aeronáutica busca la optimización de sus componentes estructurales, y una posibilidad de lograrlo es a través del empleo de materiales compuestos. Grandes compañías aeronáuticas utilizan cada vez en mayor proporción estos materiales en sus aeronaves e incluso, en un futuro, emplearán motores de rótor abierto con palas contrarrotatorias fabricadas con material compuesto. Estos motores reducen considerablemente el consumo, pero obligan a garantizar la protección del fuselaje del avión ante un posible impacto de un fragmento de material compuesto desprendido de las palas, por lo que es necesario estudiar el comportamiento de los materiales compuestos empleados impactando contra estructuras de similares características, como por ejemplo el fuselaje de un avión con un importante contenido de material compuesto en peso.
Al emplear materiales compuestos, debido su baja resistencia a impactos fuera de su plano, uno de los principales análisis que se realizan durante el diseño de una estructura aeronáutica de material compuesto es el estudio de su comportamiento frente a impactos. Sin embargo, no existen estudios previos en los que el material compuesto sea el proyectil y no el objetivo.
En esta tesis doctoral se ha analizado el impacto de fragmentos (rectangulares y con dos espesores y laminados diferentes) de material compuesto laminado contra una placa rígida, empleando tanto una metodología experimental como numérica. En ambos casos se ha analizado el proceso de impacto y los siguientes parámetros de importancia: la erosión producida en los fragmentos, la velocidad de los fragmentos durante el impacto, la fuerza producida por el impacto del fragmento y el impulso transmitido. Para realizar los impactos experimentales, se ha empleado un dispositivo neumático de impulsión que acelera los fragmentos contra la placa rígida; el proceso de impacto se ha grabado mediante tres cámaras de alta velocidad, permitiendo de esta forma comprobar que el impacto se produce de manera correcta, y el posterior análisis del mismo. Con los vídeos generados, se han obtenido los desplazamientos de los fragmentos para posteriormente obtener la fuerza de impacto producida. Los ensayos experimentales han permitido comprender los principales mecanismos de fallo que aparecen en los fragmentos y en todos ellos, se ha observado el fallo por compresión de la matriz y de las fibras, y además delaminación en las láminas más exteriores de los fragmentos. Los dos primeros mecanismos de fallo presentan mayor intensidad conforme aumenta la velocidad de impacto mientras que en las delaminaciones la tendencia es al contrario.
Además de la metodología experimental, en esta tesis también se ha desarrollado una metodología numérica para reproducir el impacto de los fragmentos de material compuesto laminado. Dicha metodología ha sido validada mediante los ensayos experimentales. Las simulaciones numéricas se llevaron a cabo utilizando el software comercial de elementos finitos Abaqus Explicit v6.14. Para reproducir el comportamiento del material compuesto laminado de los fragmentos se ha desarrollado un modelo de daño continuo tridimensional para reproducir lo más fielmente posible el fallo intralaminar real, dicho modelo se ha implementado mediante una subrutina de usuario. El fallo interlaminar se ha tenido en cuenta en el modelo empleando una interacción cohesiva entre cada lámina de material.
Atendiendo a la validación de la metodología numérica realizada, se ha comprobado que el modelo numérico desarrollado muestra una adecuada correlación con respecto a los parámetros observados en los ensayos experimentales. Respecto al modelo del material compuesto desarrollado en esta tesis, predice adecuadamente los fallos y el proceso de impacto de los ensayos experimentales.
